علماء يشرحون أخيرًا الاندماج الغامض “المستحيل” لثقبين أسودين ضخمين

أظهرت مجموعة مفصلة من عمليات المحاكاة التي أجراها علماء الفيزياء الفلكية في معهد فلاتيرون والمتعاونون معهم أن المجالات المغناطيسية يمكن أن تنتج ثقوبًا سوداء ذات كتل كان يُعتقد سابقًا أنها بعيدة المنال في الغالب.

وفي عام 2023، سجل العلماء الفلك أ حدث كوني درامي. اصطدم ثقبان أسودان كبيران بشكل غير عادي على بعد حوالي 7 مليارات سنة ضوئية من الأرض، وأثار حجمهما الهائل ودورانهما السريع تساؤلات على الفور. ولم يكن من المتوقع أن تتشكل الأجسام بهذه الخصائص في الكون.

لقد حدد الباحثون في مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون (CCA)، الذين يعملون مع متعاونين دوليين، تفسيرًا محتملاً لكيفية إنشاء هذه الثقوب السوداء ودمجها في النهاية. كشفت عمليات المحاكاة التفصيلية التي أجروها، والتي تتتبع التطور الكامل للنظام منذ ولادة النجوم الأم وحتى انهيارها النهائي، عن عامل حاسم غاب عن الدراسات السابقة: تأثير المجالات المغناطيسية.

يقول أوري جوتليب، عالم الفيزياء الفلكية في المركز CCA والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة عن العمل المنشور في ال رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. “ولكن بمجرد أن تفكر في المجالات المغناطيسية، يمكنك في الواقع تفسير أصول هذا الحدث الفريد.”

مشكلة الفجوة الجماعية المحيرة

تم اكتشاف اصطدام 2023، المسمى الآن GW231123، من خلال التعاون بين LIGO-Virgo-KAGRA، والذي يستخدم مراصد موجات الجاذبية لقياس الاضطرابات الطفيفة في الزمكان الناجمة عن الحركات الكونية الهائلة.

في البداية، لم يتمكن العلماء من فهم كيفية تشكل مثل هذه الثقوب السوداء الثقيلة وسريعة الدوران. عادةً ما تنهي النجوم الضخمة حياتها في أحداث مستعرات أعظم متفجرة يمكن أن تترك وراءها انفجارًا الثقب الأسود. ومع ذلك، فإن النجوم الموجودة ضمن نطاق كتلة معين تتصرف بشكل مختلف. وتنتج ما يعرف بالمستعر الأعظم ثنائي عدم الاستقرار، وهو انفجار قوي يدمر النجم تمامًا ولا يترك أي بقايا.

توضح هذه الصور ثلاثية الأبعاد لانهيار الأفق المباشر مع مجال مغناطيسي ضعيف في البداية تطور النظام. في وقت مبكر من الانهيار، تعمل رياح القرص التراكمي على فك جزء كبير من الغلاف النجمي، مما يقلل من الكتلة المتاحة للتراكم في الثقب الأسود. وفي نهاية المطاف، يخرج تيار أحادي الجانب من المنطقة الواقعة خارج الثقب الأسود مباشرةً، ويدور حول الثقب الأسود ويطرد المواد النجمية المتبقية. الائتمان: أور جوتليب / مؤسسة سيمونز

يقول جوتليب: “نتيجة لهذه المستعرات الأعظم، لا نتوقع أن تتشكل ثقوب سوداء تتراوح كتلتها ما بين 70 إلى 140 مرة كتلة الشمس تقريبًا”. “لذلك كان من المحير رؤية الثقوب السوداء ذات الكتل داخل هذه الفجوة.”

أحد الاحتمالات هو أن الثقوب السوداء في هذه الفجوة الكتلية تتشكل عندما تندمج ثقوب سوداء أصغر حجمًا، مما يؤدي إلى خلق ثقب أسود أثقل. لكن بالنسبة لـGW231123، بدا هذا التفسير غير محتمل. تعد عمليات اندماج الثقب الأسود بمثابة أحداث مدمرة للغاية، وعادةً ما تؤدي إلى تشويش الدوران النهائي للثقب الأسود. ومع ذلك، كانت الثقوب السوداء في هذا الاصطدام تدور بسرعة أكبر من أي قياس تم قياسه سابقًا ليغو، يسحبون نسيج الزمكان معهم بسرعة الضوء تقريبًا. تبدو فرص تشكل ثقبين أسودين ضخمين وسريعي الدوران من خلال عمليات اندماج نموذجية منخفضة للغاية، مما يشير إلى أن عملية أخرى يجب أن تكون مسؤولة.

محاكاة تطور نجم عملاق

قام جوتليب ومعاونوه بالتحقيق في الأمر من خلال إجراء مرحلتين من عمليات المحاكاة الحسابية. وقاموا في البداية بمحاكاة نجم عملاق تبلغ كتلته 250 مرة كتلة الشمس خلال المرحلة الرئيسية من حياته، منذ أن يبدأ في حرق الهيدروجين حتى نفاده وانهياره في مستعر أعظم. بحلول الوقت الذي وصل فيه هذا النجم الضخم إلى مرحلة المستعر الأعظم، كان قد احترق ما يكفي من الوقود لتقليص حجمه إلى 150 مرة كتلة الشمس فقط، مما يجعله أعلى بقليل من فجوة الكتلة وكبيرًا بما يكفي لترك ثقب أسود خلفه.

تعاملت المجموعة الثانية من عمليات المحاكاة الأكثر تعقيدًا، والتي أخذت في الاعتبار المجالات المغناطيسية، مع آثار المستعر الأعظم. بدأ النموذج ببقايا المستعر الأعظم، وهي سحابة من بقايا المواد النجمية المزوّدة بمجالات مغناطيسية وثقب أسود في مركزها. في السابق، افترض علماء الفلك أن كتلة السحابة بأكملها ستقع في الثقب الأسود حديث الولادة، مما يجعل الكتلة النهائية للثقب الأسود تطابق كتلة النجم الضخم. لكن عمليات المحاكاة أظهرت شيئًا مختلفًا.

المجالات المغناطيسية تغير مصير النجوم المنهارة

بعد أن ينهار نجم غير دوار ليشكل ثقبًا أسود، تسقط سحابة المخلفات المتبقية بسرعة في الثقب الأسود. ومع ذلك، إذا كان النجم الأولي يدور بسرعة، فإن هذه السحابة تشكل قرصًا دوارًا يتسبب في دوران الثقب الأسود بشكل أسرع وأسرع مع سقوط المواد في هاويته. في حالة وجود مجالات مغناطيسية، فإنها تمارس ضغطًا على قرص الحطام. وهذا الضغط قوي بما يكفي لإخراج بعض المواد بعيدًا عن الثقب الأسود بسرعة الضوء تقريبًا.

تؤدي هذه التدفقات الخارجية في نهاية المطاف إلى تقليل حجم المواد الموجودة في القرص والتي تغذي في النهاية الثقب الأسود. وكلما كانت المجالات المغناطيسية أقوى، كلما زاد هذا التأثير. في الحالات القصوى ذات المجالات المغناطيسية القوية جدًا، يمكن إخراج ما يصل إلى نصف الكتلة الأصلية للنجم من خلال مقذوفات قرص الثقب الأسود. وفي حالة عمليات المحاكاة، خلقت المجالات المغناطيسية في النهاية ثقبًا أسود نهائيًا في فجوة الكتلة.

يقول جوتليب: “لقد وجدنا أن وجود الدوران والمجالات المغناطيسية قد يغير بشكل أساسي تطور ما بعد الانهيار للنجم، مما يجعل كتلة الثقب الأسود أقل بكثير من الكتلة الإجمالية للنجم المنهار”.

ربط المجالات المغناطيسية بكتلة الثقب الأسود ودورانه

يقول جوتليب إن النتائج تشير إلى وجود صلة بين كتلة الثقب الأسود ومدى سرعة دورانه. يمكن للمجالات المغناطيسية القوية أن تبطئ الثقب الأسود وتحمل بعض الكتلة النجمية بعيدًا، مما يؤدي إلى خلق ثقوب سوداء أخف وزنًا وأبطأ في الدوران. تسمح الحقول الأضعف بوجود ثقوب سوداء أثقل وأسرع في الدوران. يشير هذا إلى أن الثقوب السوداء قد تتبع نمطًا يربط كتلتها وتدور معًا. في حين أن علماء الفلك لا يعرفون أي أنظمة ثقب أسود أخرى يمكن اختبار هذا الارتباط عليها، إلا أنهم يأملون أن تجد الملاحظات المستقبلية المزيد من هذه الأنظمة التي يمكن أن تؤكد هذا الارتباط.

وتُظهر عمليات المحاكاة أيضًا أن تشكل هذه الأنواع من الثقوب السوداء يؤدي إلى انفجارات من أشعة جاما، والتي قد تكون قابلة للملاحظة. إن البحث عن توقيعات أشعة جاما هذه من شأنه أن يساعد في تأكيد عملية التكوين المقترحة والكشف عن مدى شيوع هذه الثقوب السوداء الضخمة في الكون. وفي نهاية المطاف، إذا تم تأكيد مثل هذا الارتباط، فإنه سيساعد علماء الفلك على اكتساب فهم أعمق للفيزياء الأساسية للثقوب السوداء.

المرجع: “الدوران في الفجوة: انهيار الأفق المباشر كأصل GW231123 من عمليات المحاكاة الديناميكية المغناطيسية العامة النسبية الشاملة” بقلم أوري جوتليب، وبريان د. ميتزجر، ودانات عيسى، وشون إي لي، وماثيو رينزو، وماكسيميليانو إيسي، 10 نوفمبر 2025، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/2041-8213/ae0d81

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.